Una investigación en la que participan astrónomos del Centro de Astrofísica y Tecnologías Afines - CATA (proyecto financiado por ANID) adaptó métodos de la biología evolutiva para reconstruir el enriquecimiento químico de una galaxia a lo largo de su historia.

El estudio, publicado en Astronomy & Astrophysics, fue encabezado por Brian Tapia Contreras, Investigador Adscrito del CATA y estudiante de doctorado de la Pontificia Universidad Católica de Chile (UC), bajo la tutela de Patricia Tissera, Directora del Centro y académica del Instituto de Astrofísica de la UC. El equipo estuvo compuesto, además, por Emanuel Sillero, Investigador Postdoctoral de Fondecyt en la UC e investigador adscrito al CATA, y Paula Jofré, académica de la Universidad Diego Portales (UDP), entre otros investigadores. Este proyecto comenzó bajo el alero del Núcleo Milenio ERIS, liderado por Jofré y Tissera.

Filogenética galáctica: aplicando la biología al estudio del Universo

La filogenética es la disciplina que reconstruye las relaciones evolutivas entre las especies, hoy en día principalmente mediante la comparación de sus secuencias de ADN. Como éste se hereda de una generación a otra y acumula cambios con el tiempo, esas diferencias permiten trazar árboles evolutivos que muestran qué especies están más estrechamente emparentadas y cuáles comparten ancestros comunes más recientes.

Su adaptación al estudio de las galaxias dio origen a la “filogenética galáctica”, una metodología que propone a las abundancias químicas estelares como un “ADN galáctico”. Cada generación estelar enriquece el gas circundante con nuevos elementos químicos, principalmente mediante explosiones de supernovas y otros procesos de pérdida de masa. Las estrellas que se forman posteriormente a partir de ese gas incorporan en su composición la huella química de las generaciones anteriores. Analizando ese registro mediante este enfoque, se espera reconstruir la historia evolutiva de una galaxia.


Brian Tapia Contreras explica que "la idea es tomar distintas poblaciones estelares y calcular diferencias químicas entre ellas. Usamos un algoritmo que toma esa información y, asumiendo un ancestro primordial común, empieza a construir una secuencia evolutiva. Lo llamativo es que es un proceso basado únicamente en la información química: en ningún momento decimos que una estrella es más vieja que otra. Son los propios elementos los que van reconstruyendo una evolución temporal".

Una simulación para seguir la química estrella a estrella
Para poner a prueba esta idea, los investigadores diseñaron Origins, una simulación de una galaxia de disco similar a la Vía Láctea que evoluciona en aislamiento durante 3.500 millones de años. Este modelo reproduce los principales procesos físicos que moldean la evolución de una galaxia, como la gravedad, la física del gas y el nacimiento y desarrollo de nuevas estrellas, además de rastrear con gran detalle el origen y transporte de 22 isótopos químicos.

Esto permitió seguir cómo se enriquece de elementos químicos el medio interestelar y cómo diferentes procesos físicos modifican su distribución y abundancia, dejando sus huellas en la composición química de las estrellas.

La simulación se ejecutó usando recursos computacionales chilenos de alto rendimiento, entre ellos, el clúster Geryon del Centro de Astrofísica y Tecnologías Afines (CATA), que se empleó para el desarrollo del código numérico y el clúster Ladgerda, financiado por Fondecyt Regular y el Núcleo Milenio ERIS.


Los árboles filogenéticos recuperan historias evolutivas

El equipo aplicó el análisis filogenético a dos regiones de la galaxia simulada Origins con historias muy distintas: un anillo interior, donde una barra galáctica impulsa intensos flujos de gas hacia el centro, y un anillo exterior, dominado por los brazos espirales y caracterizado por una evolución química más pausada. Si la metodología funcionaba como se esperaba, debía ser capaz de distinguir ambas trayectorias evolutivas a partir de la información química contenida en las estrellas.

Distribución de gas (izquierda) y densidad estelar (derecha) en el anillo interior (color morado) y en el anillo exterior (color naranja), en la simulación Origins.

Los árboles filogenéticos construidos a partir de estos datos lograron distinguir diferencias reales entre las historias de formación de ambas regiones.

En el anillo interior surgió una estructura compleja, con agrupaciones llamadas ‘clados fuertes’, es decir, conjuntos de estrellas que comparten una historia común de enriquecimiento químico. El grupo más prominente correspondió a estrellas antiguas enriquecidas rápidamente por supernovas de tipo II, evidenciando un episodio temprano e intenso de formación estelar asociado a flujos de gas impulsados por la presencia de la barra galáctica.

En contraste, el árbol correspondiente al anillo exterior presentó una ramificación más lineal y simétrica, coherente con una trayectoria química continua, característica de una región dominada por una actividad estelar más sostenida en el tiempo.

Al respecto, Patricia Tissera explica que esto "demuestra que el método puede distinguir entre regiones con formación estelar violenta como el centro de una galaxia, y con una evolución más suave y constante, como en las regiones del disco, analizando únicamente la estructura del árbol filogenético resultante".

Para cuantificar estas diferencias, el equipo recurrió a herramientas utilizadas en biología para medir la complejidad de los árboles evolutivos. Los resultados mostraron que las configuraciones correspondientes al anillo interior son sistemáticamente más complejas que las del anillo exterior, reflejando un pasado consistente con una formación y enriquecimiento químico más dinámico.

Comparación de balance entre el anillo interno (color morado) y el anillo externo (color naranja).

El análisis también demostró que esta metodología es capaz de detectar la huella de la barra galáctica. Al redistribuir gas hacia el centro de la galaxia, esta estructura genera poblaciones estelares con historias químicas distintivas que esta técnica logra identificar sin necesidad de incorporar datos de posición, edad, ni dinámica.

"Esto puede convertirse en un método para confirmar o proponer estrellas que pudieron tener un origen distinto al de las demás. Es algo que también se hace en la Vía Láctea cuando se estudian cúmulos globulares o estrellas provenientes de fusiones pasadas, que suelen ser distintas químicamente", expone Brian Tapia Contreras.

Un nuevo enfoque para la era del Big Data astronómico

La filogenética galáctica no reemplaza los métodos existentes, sino que los complementa. Una de sus principales ventajas es que no requiere estimaciones precisas de las edades estelares. En su lugar, se basa en abundancias químicas, una información cada vez más accesible gracias a los grandes proyectos espectroscópicos.

El principal desafío será interpretar el gran volumen de datos que producirán estas iniciativas. En ese contexto, esta metodología podría convertirse en una aliada clave para reconstruir historias de formación galáctica, identificar poblaciones estelares según su origen y comparar otras galaxias mediante sus patrones de enriquecimiento químico.

Sobre este escenario, Tissera sostiene que "ante el crecimiento exponencial de datos provenientes de observatorios y proyectos como Gaia, MOONS, 4MOST y el ELT (Extremely Large Telescope), la filogenética galáctica se perfila como una herramienta revolucionaria. Permite decodificar el 'registro fósil' de las galaxias utilizando únicamente información química, algo vital porque obtener estimaciones robustas de las edades de las estrellas es extremadamente difícil, mientras que las abundancias químicas actúan como un ADN estelar heredado".

Próximos pasos

El trabajo demostró la funcionalidad del método aplicado en un escenario simulado e intencionalmente controlado para entender qué significa cada señal del árbol filogenético. Los próximos pasos apuntan a ampliar esa complejidad.
"La siguiente etapa será extender este enfoque a escenarios más complejos y cercanos a una galaxia real. El desafío será entender qué ocurre cuando se mezclan múltiples poblaciones estelares con orígenes distintos, asociadas principalmente a fusiones de galaxias ocurridas en diferentes momentos de su historia", enfatiza Tapia Contreras.
Para esto, el equipo planea aplicar la filogenética galáctica a simulaciones del proyecto CIELO, iniciativa liderada por Patricia Tissera. Desarrolladas por el mismo equipo de investigación, estas se convertirán en laboratorios más realistas para seguir poniendo a prueba y perfeccionar esta metodología.
Este trabajo demuestra cómo las simulaciones numéricas permiten recrear universos virtuales, que pueden utilizarse como laboratorios para poner a prueba nuevas ideas, hipótesis y técnicas de análisis, sumado al valor de desarrollar trabajos multidisciplinarios.